电压转换器是许多技术系统的支柱
。根据应用需求，所需的电源单元通过变压器


、整流器AC/DC转换器实现。在高效开关电源尚未普及之前，几乎只使用50 Hz变压器解决方案
。

　　电源考虑因素

　　电力几乎完全以三相电流形式提供，系统电压为10 ...30 kV~

，在供电厂中
，并以38 kV~的电压长距离传输
。电子直流电压如5 V、12 V和24 V，通过变压器从高传输电压降压至220 V~/230 V~电压

，经过整流
、平滑和稳定处理。选择电源的特征包括价格、可靠性
、可用性、是否使用标准组件或特殊解决方案

、所需功率
、是否需要宽范围输入(110 V~ ... 230 V~)
、是否带功率因数
、工作温度、电磁兼容性(EMC)
、效率

、平均无故障时间(MTBF)、外形因素如尺寸、重量、插头和安装类型。

　　在1970年代
，解决方案通常由50 Hz变压器、桥式整流器和平滑组件组成
，可能还包括下游U稳定
。问题是，购置成本是否应该是购买决策的唯一决定因素?运营、维护和更换成本可能是不可忽视的因素。在仅24 - 36个月的运营时间内，使用更节能的解决方案是值得的。对于工业产品
，折旧期通常为十年
。然而
，机器往往运行两倍的时间
。现在需要考虑的是，使用节能解决方案能否降低能源供应公司的运营系统成本。

　　许多电子设备需要稳定的直流电压。能源通过交流电压厂的供应和网络传输。这意味着必须在使用点从交流电压生成直流电压
。电压生成方法既影响操作安全性也影响运营成本。

　　在引入高频电源解决方案之前
，这些解决方案现在随着快速开关
、低阻抗半导体的发展占据了主导地位，主要使用50 Hz变压器、桥式整流器和平滑电容器将220 V~/230 V~市电电压转换为24 V和其他常用直流电压。变压器解决方案在初级(230 V~)和次级电路(例如12 V
、24 V)之间实现电隔离


。

　　由于变压器通过桥式整流器和平滑电解电容器以特殊方式加载
，因此在230V~初级电路中产生脉冲电流流动。

　　电表以有效值校准。脉冲电流流动导致电流的RMS值不同，尽管电荷载流子流动相同
。

　　i = C * dU / dt (1)

　　i = dq / dt (2)

　　从方程(1)通过转换得到：

　　i * dt = C * dU (1a)

　　在直流侧
，需要一定的功率或能量来执行工作。

　　dW = u * i * dt (3)

　　将方程(1a)的表达式代入方程(3)得到

　　dW = u * C * dU (3a)

　　如果两边积分
，结果是

　　W(工作，劳动
，能量)= ∫dw = C * ∫UdU = ½ * CU² W = ½ * C*U² (4)

　　从公式中的电压平方可以看出，能量或工作与电压不成线性关系
。波峰因数ξr = î / Ieff越高，电费越高。

　　能量，工作

　　W = P * t (5)

　　电容器，蓄电池现在可以通过各种方式填充

，即‘填充’电荷载流子(q)。在此背景下
，特别感兴趣的是交流侧所需的能量。

　　示例
：在直流侧，需要电压U = 24V的电功率P = 50W。存储单元(电池)中的能量应足以支持t = 24h的运行时间。

　　E = 50W * 24h = 1’200Wh (6)

　　电流I计算如下：

　　I = P/U = 50VA / 24V = 2.08A (7)

　　电池的存储容量为C = 2.1A * 24h / 24V (8)

　　电池中的电荷：Q = I * t = 2.08A * 24h = 50 Ah (9)

　　此电荷必须由交流电压源提供

。此外
，交流电压源还必须提供电路组件中的损耗
。为了清晰起见，这些损耗将被忽略。

　　充电时提供的电荷量必须相同，无论是直流还是交流正弦电流(整流值)和脉冲电流(红色)
，否则电池、蓄电池和电容器将以不同的速率充电
。电荷的表面积必须相同。

　　Q = I * t 直流电流

　　Q = 2 * î / π 桥式整流器后的正弦波

　　Q = iRE * tp tp = T/12 对于带有平滑电解电容器的桥式整流器，典型的电流流动角度为Φ = 30°。

　　然而

，为了将相同的电荷量传输到24 V直流电压侧，必须在交流电压侧施加不同量的工作(能量)。

　　为了仅比较波形的影响
，充电时间(t)必须设置为相同值

。

　　一次完整充电的能量

　　a) 直流电流 E = 24 V * 2.08 A * 24 h = 1,200 Wh

　　b) 交流电流正弦波形

　　P = UEeff * IEeff = 50 W(变压器、整流器中无损耗)

　　次级侧适用：

　　Q = 50 Wh ➔ î = 50 Ah/24h = 2.083 A * π / 2 = 3.25 A

　　这导致 IAeff = î / √2 = 2.31 A

　　UE,eff = 230 V~ ➔ IEeff = 50 VA/230 Veff = 0.217 A

　　c) 如果能量以脉冲形式传输到次级直流电压侧，则结果如下
：

　　所需的电荷 Q = 50 Ah

　　iRE,puls =? ➔ I = 1/T ∫ iRE,puls * dt

　　iRE,puls = 6 * I 因为电荷载流子传输每半个正弦波在T/12进行
，即每完整正弦输入振荡两次。因此，电流必须大6倍
，以便在T/6的周期持续时间内将相同的电荷量传输到次级侧。

　　输入电流的有效值，也是计费的，计算如下
：

　　TEeff² = 1/T ∫(6*I)²dt = 1/T * 36 * T/6

　　这导致 Ieff,puls = √6 = 2.45 倍更大
。

　　因此，波峰因数为：ξr = î / Ieff = 6 * I / √& * I = √6 = 2.45

　　在10 W到75 W功率范围内的许多市电应用中，当使用输入中包含非线性组件(如桥式整流电路)的消费者设备连接到230 V~市电时，经常会出现高能耗成本，而这些成本往往未被察觉

。对于此类设备，所谓的功率因数λ通常仅在0.3到0.6之间
。由于能源供应公司的电表以有效值校准
，因此确保消费者设备的能源消耗效率非常重要。否则，这将很昂贵。只要电能成本为5 - 6美分
，这种考虑就不那么重要。但以目前的成本20美分/kWh以上，这是浪费的钱。

　　由于积分在底部和顶部边界内进行(电流流动示例在60°到90°之间
，相对于2个正弦半波为T/12)，这意味着在一个完整周期T内进行两次
。

　　因此，iRE,puls将比I高6倍
，以实现向次级路径的相同电荷传输

。

　　假设能源成本：20美分/kWh

　　在以下假设下计算
：

　　ξr = 2,22 o. 功率因数 PF = 0.45 和 365 * 24h 运行时间

　　η = 0.92

　　ξr o. PF = 功率因数;λ = 实际功率/视在功率

　　η = 效率

　　开关模式电源的差异

　　具有正弦电流消耗的开关模式电源可以在这里提供帮助。然而，它们的工作方式有所不同。经典解决方案是一个升压转换器，由存储扼流圈、mosfet、整流二极管、平滑电容器和IC电路组成
，以及各种附加组件，最初从整流市电电压生成大约380 V ... 400 V DC的中间电路电压。下游DC/DC转换器
，也在高频操作f ≥ 50 kHz，然后生成所需的次级电压5 V、12 V 24 V，与市电侧电隔离，短路和开路保护
。

　　然而，Grau Elektronik电源单元使用PFC变压器解决方案
，遵循正弦输入电流曲线，因此具有低波峰因数和高功率因数λ，最大限度地减少了电路组件。通过使用瞬态抗性组件，还可以处理t <= 0.1msec的1.6 ... 2.3 * UE,nenn的市电瞬态
。

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